用于穩定化高溫沉積的氣冷式基板支撐件的制作方法
【專利摘要】本公開內容的實施方式提供用于穩定基板溫度的設備及方法，通過：流動冷卻氣體流至基板支撐件中的冷卻通道的入口，使用熱交換器從冷卻通道的出口接收冷卻氣體流，以及釋放冷卻氣體至最近環境，例如清潔室或微環境。
【專利說明】
用于穩定化高溫沉積的氣冷式基板支撐件
技術領域
[0001] 本公開內容的實施方式涉及用于處理半導體基板的設備及方法。更特定地，本公 開內容的實施方式涉及用于在高溫處理期間穩定基板溫度的設備及方法。
【背景技術】
[0002] 在一些半導體處理中，欲處理的基板的溫度通常由接合至基板支撐件的吸熱器 (例如，大型熱傳導主體)維持。傳統上，使用于高溫物理氣相沉積(PVD)的吸熱器不會主動 冷卻，因為這些PVD腔室中的溫度太高以至于傳統冷卻劑會在吸熱器冷卻通道中沸騰。由于 傳統PVD方法通常包含相當短的沉積時間（例如，10秒的數量級），負載于基板上的熱可通過 基板下方相對大的吸熱器而消散。然而，隨著PVD方法中沉積時間的延長(例如，成為上百秒 至上千秒的范圍），非主動式冷卻基板支撐件無法消散負載于欲處理的基板上的熱，而導致 欲沉積的薄膜的處理偏差和劣化。針對持久的PVD處理，已使用G A LDE:NT傳熱液體或 其它類似的高沸點冷卻劑來冷卻基板支撐件。然而，這些高沸點冷卻劑不僅昂貴而且易于 熱分解，并且可變成腐蝕性的和/或釋放例如HF和氟光氣的有害氣體。
[0003] 因此，需要改進的用于針對高溫PVD處理的控制基板溫度的設備及方法。
【發明內容】
[0004] 本公開內容一般涉及用于在高溫處理期間于處理腔室中控制基板溫度的設備及 方法。
[0005] 本公開內容的一個實施方式提供基座組件。基座組件包含:靜電卡盤，所述靜電卡 盤具有基板支撐表面;底板，所述底板接合至靜電卡盤且具有形成于底板中的冷卻通道；以 及冷卻組件，所述冷卻組件經由入口通路和出口通路連接至冷卻通道。所述冷卻組件包含： 用于產生冷卻氣體流的栗、耦接在栗和入口通路之間的流控制器、以及耦接至出口通路的 熱交換器。
[0006] 本公開內容的另一個實施方式提供用于處理半導體基板的設備。所述設備包含： 腔室主體和基座組件，所述腔室主體界定處理體積，所述基座組件用于在處理期間支撐一 個或多個基板。所述基座組件包含:靜電卡盤和底板，所述靜電卡盤具有基板支撐表面并且 設置于處理體積之中，所述底板接合至靜電卡盤，其中底板具有形成于底板中的冷卻通道。 所述設備進一步包含:冷卻組件，所述冷卻組件經由入口通路和出口通路連接至基座組件 的冷卻通道。所述冷卻組件設置于處理體積外部。所述冷卻組件包括:用于產生冷卻氣體流 的栗、耦接在栗和入口通路之間的流控制器、以及耦接至出口通路的熱交換器。
[0007] 本公開內容的另一個實施方式提供用于控制欲處理的基板的溫度的方法。所述方 法包含以下步驟:在處理腔室中于基板支撐件上處理基板;供應冷卻氣體流，以冷卻形成于 基板支撐件中的通道以控制基板的溫度;流動冷卻氣體流通過熱交換器離開冷卻通道；以 及釋放冷卻氣體流返回到圍繞處理腔室的環境中。在一個實施方式中，基板支撐件可為靜 電卡盤。
【附圖說明】
[0008] 因此，以上簡要總結的本公開內容的上述特征可被詳細的理解的方式、對本公開 內容更加特定的描述可以通過參考實施方式獲得，所述實施方式中的一些示出于附圖之 中。然而，值得注意的是，所述附圖僅示出了本公開內容的典型的實施方式，而由于本公開 內容可允許其它等效的實施方式，所述附圖因此并不會被視為對本公開內容范圍的限制。
[0009] 圖1為根據本公開內容的一個實施方式的物理氣相沉積腔室的截面示意圖。
[0010] 圖2為高溫處理期間用于溫度控制的示意性基板支撐件。
[0011] 圖3為根據本公開內容的一個實施方式的用于溫度控制的方法的流程圖。
[0012] 為了便于理解，已在盡可能的情況下使用相同的參考數字指定這些附圖中共通的 相同元件。可以考慮到的是，一個實施方式中的多個元件可有利地整合于其他它實施方式， 而無須贅述。
【具體實施方式】
[0013] 本公開內容的實施方式涉及用于在高溫處理期間穩定基板溫度的設備及方法。更 特定地，本公開內容的實施方式使用開回路(open loop)空氣循環用于冷卻高溫基板支撐 件的通道。本公開內容的實施方式提供用于穩定基板溫度的設備及方法，通過:流動冷卻氣 體流至基板支撐件中的冷卻通道的入口，使用熱交換器從冷卻通道的出口接收冷卻氣體 流，以及釋放已冷卻的冷卻氣體到環境。栗可耦接至冷卻通道的入口，以從圍繞處理腔室的 環境(例如，從安置處理腔室的清潔室)抽取空氣。熱交換器可相鄰于處理腔室放置，以便無 須延伸至建物外部的排放線。
[0014] 本公開內容的實施方式允許使用清潔室中的空氣為冷卻氣體，并且使已使用的冷 卻氣體能夠直接釋放至環境，而不會升高清潔室環境的溫度并且不會釋放潛在危險的熱排 放冷卻氣體，例如在大于200°C的溫度下的排放冷卻氣體到最近圍繞處理腔室的工作/維持 區域。
[0015] 可使用本公開內容的實施方式以在實施延長的時間周期的高溫處理期間穩定基 板溫度。例如，本公開內容的實施方式證實了控制基板溫度接近約400攝氏度并且針對處理 時間至超過1000秒而不會觸發欲沉積的薄膜的熱感應處理偏差及劣化的能力。可使用本公 開內容的實施方式以冷卻使用于物理氣相沉積(PVD)腔室、等離子體增強PVD腔室、蝕刻腔 室、或其它合適的腔室中的高溫基板支撐件。本公開內容的實施方式使用惰性氣體或空氣 當作用于高溫基板支撐件中溫度控制的冷卻流體。
[0016] 圖1為根據本公開內容的一個實施方式的物理氣相沉積腔室100的截面示意圖。處 理腔室100包含具有側壁104的腔室主體102、腔室底部106、以及封閉內部體積110的蓋組件 108。基座組件120在處理期間設置于內部體積110中以支撐基板112。可設置處理套件114于 內部體積110中。處理套件114可至少包含沉積環116和接地屏蔽118，放置沉積環116以覆蓋 基座組件120,放置接地屏蔽118以覆蓋側壁104的內部表面104a。
[0017] 蓋組件 108-般包含革巴標背板（target backing plate)122、祀標（target)124、以 及磁控管126。可通過腔室壁104支撐靶標背板122。陶瓷環封口 128可設置于靶標背板122和 腔室壁104之間。陶瓷環封口 128功能如同腔室主體102和靶標背板122之間的真空封口以及 電氣隔離器(electrical isolator)兩者。上方屏蔽環130設置于祀標124和接地屏蔽118之 間。上方屏蔽環130有意地設置靠近但不觸碰靶標124,以限制圍繞靶標124及背板122的側 面的等離子體點火，因而防止來自靶標124及背板122的側壁的重新沉積材料的任何飛濺。
[0018] 靶標124可通過電源132相對于接地(例如，腔室102)以RF和/或DC電源偏壓。從氣 源134經由管道136供應氣體(例如，氬)至內部體積110。氣源134可包括反應性氣體或非反 應性氣體。等離子體由基板112和靶標124之間的氣體形成。等離子體內的離子被加速朝向 靶標124并造成材料由靶標124去除。去除的靶標材料沉積于基板112上。在處理期間，蓋組 件108、上方屏蔽環130、接地屏蔽118、沉積環116以及覆蓋環133約束形成于內部體積110中 的等離子體至基板112上方的區域。
[0019] 耗損的處理氣體以及副產物由處理腔室100穿過排放口 138被排放，排放口 138接 收耗損的處理氣體并引導耗損的處理氣體至連接至一個或多個排放栗142的排放管道140。
[0020] 基座組件120可以可移動地設置覆蓋于腔室底部106。在一個實施方式中，基座組 件120可包含基板支撐件144、底板146、接地板148以及氣體冷卻組件150。基板支撐件146、 底板146以及接地板148可堆迭在一起而形成接合至中央軸件152的碟狀主體。提升機構154 可耦接至基座組件120的中央軸件152,以將基座組件120在用于處理的上方位置和用于基 板裝載/卸載的下方位置之間移動。
[0021] 基板支撐件144具有用于支撐位于基板支撐件144上的基板112的上表面156。在一 個實施方式中，基板支撐件144可為靜電卡盤，所述靜電卡盤包含具有嵌入介電主體中的電 極158的介電主體。介電主體典型地由高熱傳導性介電材料制成，例如熱分解氮化硼、氮化 鋁、氮化硅、氧化鋁或等效材料。電極158可耦接至電源160,電源160提供電力至電極158以 控制卡緊力(chucking force)。
[0022] 基板支撐件144可包含一個或多個加熱元件149以維持基板支撐件144和基板112 在所期望的溫度下。在一個實施方式中，加熱元件149可為嵌入電極158下方的基板支撐件 144中的電阻性加熱器。加熱元件149可耦接至電源147。為了在短時間的沉積處理期間維持 所期望的溫度，在高能沉積期間當基板支撐件144和基板112的溫度升高高于初始溫度設定 點時，可調低或關閉加熱元件149。當沉積時間變長時，可需要額外的冷卻以維持所期望的 溫度。
[0023] 基板支撐件144可通過擴散結合或其它結合方法接合至底板146,以在底板146和 基板支撐件144之間提供良好的熱傳導。底板146可功能如同吸熱器以在處理期間維持基板 支撐件144和基板112中的溫度穩定性。底板146可由具有適合匹配覆蓋的基板支撐件144的 熱屬性的材料制成。例如，底板146可包括陶瓷和金屬(例如鋁或碳化硅)的合成物。可選地， 底板146可完全由金屬制成，例如不銹鋼、銅或鋁。
[0024] 接地板148可為基板支撐件144和底板146提供支撐。接地板148典型地由金屬材料 制成，例如不銹鋼或鋁。底板146可從接地板148移除以便利于基板支撐件144和底板146的 更輕易的替換和維持。
[0025] 在一個實施方式中，底板146可包含冷卻通道162。可通過將溫度調節流體流過冷 卻通道162而主動控制、冷卻或加熱底板146的溫度。在一個實施方式中，冷卻通道162可穿 過通路164、166連接至氣體冷卻組件150。通路164、166可穿過中央軸件152的內部體積152a 設置，以連接底板146中的冷卻通道162和設置于腔室主體102外部的氣體冷卻組件150。
[0026] 在一個實施方式中，冷卻組件150經配置以使用來自處理腔室100的環境的空氣當 作冷卻流體。冷卻組件150可包含入口 168及出口 170,入口 168從處理腔室100外部最近的環 境抽取空氣以冷卻，出口 170輸出穿過冷卻通道162回到環境的循環空氣。入口 168及出口 170均開口至處理腔室100外部最近的環境，例如設置處理腔室的清潔室、或微環境。冷卻組 件150可包含栗以驅動空氣穿過冷卻通道162。冷卻組件150可包含熱交換器，以在釋放空氣 至環境前恢復回到大氣溫度的空氣的溫度。冷卻組件150中的熱交換器使感受器組件16能 夠使用來自最近環境的空氣被冷卻〇,而無須額外管路以從冷卻通道傳送熱空氣至外部環 境。
[0027] 可選地，壓縮氣源169(例如，壓縮清潔干空氣(CDA)或氮)可耦接至入口 169作為氣 源用于冷卻通道162。在一個實施方式中，壓縮氣源169可為瓶裝的⑶A或氮。在另一個實施 方式中，壓縮氣源169可為通過來自低溫液態氮槽供應的安置系統的CDA或氮的現有供應。 [0028]通過控制器172控制處理腔室100中實施的處理，控制器172執行具有指令集的程 式碼以操作腔室100的部件，以便于在處理腔室100中處理基板。在一個實施方式中，控制器 172可主動控制基板支撐件146的溫度。例如，控制器172可連接至放置以量測基板112和/或 基板支撐件144的溫度的一個或多個溫度傳感器174。溫度傳感器174顯示為嵌入基板支撐 件144中。可選地，一個或多個溫度傳感器174可放置于其它位置，或為非接觸式感應器。控 制器172可根據由傳感器174所量測的溫度傳送控制信號至冷卻組件150,以調整冷卻處理。 例如，控制信號可包含控制通過冷卻通道162的冷卻流體的壓力和/或流動速率的信號。
[0029] 圖2為根據本公開內容的一個實施方式的基座組件120的截面示意圖，展示了冷卻 組件150的細節。冷卻組件150可通過通路164、166連接至底板146中的冷卻通道162。冷卻通 道162可以以一種配置形成于底板146中，所述配置促進了底板146內均勻的溫度。通路164、 166可為適于傳輸熱流體(例如于高至約200攝氏度溫度下的空氣流)的管輸送(tubing)。通 路164、166可為娃管輸送或金屬管輸送。
[0030] 冷卻組件150可包含栗202。可使用栗202以從最近環境(例如，清潔室中的環境)穿 過入口 168抽取空氣，并將所抽取的空氣經由通路164栗送至冷卻通道162。可選地，栗202可 連接至用于傳遞惰性氣體至冷卻通道162的惰性氣源。流控制器204可耦接至栗202以調整 由栗202輸出的壓力和/或流動速率。在一個實施方式中，流控制器204可連接至系統控制器 172并由系統控制器172所控制。在一個實施方式中，系統控制器172可使用流控制器204控 制空氣流的流動速率和/或壓力，以響應設置于基座組件120中的溫度傳感器174所量測的 基板112或基板支撐件144的溫度。例如，若基座組件120或基板112的溫度較靶標溫度高，則 可增加空氣流的流動速率和/或壓力，且若基座組件120或基板112的溫度較靶標溫度低，則 可減低空氣流的流動速率和/或壓力。
[0031] 在流經冷卻通道162時，熱交換在底板146和空氣流動之間發生。在處理期間，當基 座組件120維持在升高的溫度下時，空氣流的溫度由熱交換而增加。結果，經過通路166離開 的空氣流可處于高至約200攝氏度的溫度下。
[0032] 在一個實施方式中，冷卻組件150包含熱交換器206,熱交換器206耦接至通路166 以在釋放空氣流返回到環境(例如清潔室中的環境)前降低空氣流的溫度。熱交換器206可 包含連接于出口通路166及出口 170之間的氣體通路210。熱交換器206可耦接至冷卻流體源 208。從冷卻通道162離開的高溫空氣流穿過出口 170進入熱交換器206,以在進入返回到環 境(例如清潔室中的環境)前冷卻下來。在一個實施方式中，熱交換器206可降低空氣流的溫 度至約室溫，使得從冷卻通道162排放空氣。通過從冷卻通道冷卻排放空氣，本公開內容的 實施方式提供用于操作及維持員工的安全環境。冷卻排放空氣也防止了任何潛在的對圍繞 構件的損壞。冷卻排放空氣也防止了圍繞處理腔室的大氣溫度所不期望的改變。
[0033]熱交換器206允許冷卻組件150至基座組件120的空氣冷卻，而無須流動路徑以引 導排放熱空氣離開放置處理腔室的建物(building)。
[0034] 在一個實施方式中，可放置速動開關熱切斷（snap switch thermal cutoff )212 以接觸熱交換器206作為安全裝置，以防止熱交換器206過熱。例如，當冷卻水流動至熱交換 器206被中斷時，熱交換器206可最終過熱，潛在地達到超過200 °C的溫度。過熱可損壞熱交 換器206及冷卻組件150中的圍繞構件，并導致熱排放氣體被釋放至最近環境而不安全。當 熱交換器206的溫度超過預先確定的數值時，可關閉或觸發關閉速動開關熱切斷212。
[0035] 冷卻組件150還可包含流監測器214以監測冷卻氣體的流動并確保冷卻氣體的流 動不被中斷。中斷冷卻氣體的流動將導致處理偏差，如基板過熱而無適當地冷卻。當冷卻氣 體的流動被中斷時，流監測器214可提供指示，例如警報。
[0036] 冷卻組件150可進一步包含針對用于熱交換器206的冷卻水回路的流監測器216， 以確保有足夠的冷卻水流動經過熱交換器206。
[0037] 圖3為根據本公開內容的一個實施方式的在處理期間用于控制基板溫度的方法 300的流程圖。在方塊310中，欲處理的基板放置于處理腔室中的基板支撐件上。處理腔室可 為圖1的處理腔室100或其它合適的腔室。基板支撐件可為上述基座組件120或基板112。在 處理期間，基板可從靶標溫度偏離，例如被處理環境加至過熱，例如處理等離子體。可維持 基板溫度在一大于約200攝氏度的溫度。在一個實施方式中，可維持基板溫度于約400攝氏 度與約450攝氏度之間。在一個實施方式中，所述處理可為持續長至1000秒的物理氣相沉積 處理。
[0038] 在方塊320中，可栗送冷卻氣體流至基板支撐件，以冷卻基板并維持基板于靶標溫 度。冷卻氣體流可為從放置處理腔室的環境（即，清潔室或微環境)抽取的空氣流。可選地， 冷卻氣體流可為來自惰性氣體來源的惰性氣體。通過使用冷卻氣體或冷卻空氣，本公開內 容的實施方式使冷卻和溫度控制能夠在高于水的沸點或多數傳統冷卻流體的分解溫度的 溫度范圍。例如，本公開內容的實施方式使物體的冷卻和溫度控制能夠在高于約200攝氏度 的溫度，例如約400攝氏度與約450攝氏度之間。在一個實施方式中，可調整冷卻氣體的流動 速率和/或壓力以調整基板支撐件和基板的溫度。例如，可增加冷卻氣體的流動速率和/或 壓力以減低基板支撐件和基板的溫度，且可降低冷卻氣體的流動速率和/或壓力以降低基 板支撐件和基板的溫度。在一個實施方式中，可通過調整流控制器以調整冷卻氣體的流動 速率和/或壓力，所述流控制器耦接至用于產生冷卻氣體流的栗。在一個實施方式中，可調 整流控制器以響應量測基板的溫度傳感器的測量。
[0039]在方塊330中，通過熱交換器接收于冷卻通道中被加熱的排放冷卻氣體。可鄰近處 理腔室放置熱交換器(如圖2中的熱交換器206)相，使得排放冷卻氣體在進入熱交換器前不 會曝露于環境(例如清潔室或微環境)下。可通過冷卻流體(例如水)冷卻熱交換器。在熱交 換器中冷卻排放冷卻氣體。在一個實施方式中，可在熱交換器中冷卻排放冷卻氣體至約室 溫。
[0040] 在方塊340中，在熱交換器中冷卻后，冷卻后釋放排放冷卻氣體至放置處理腔室所 的環境(例如清潔室或微環境）。由于排放冷卻氣體由熱交換器冷卻，可直接釋放排放冷卻 氣體至清潔室，而不會實質上影響清潔室或微環境的溫度。
[0041] 雖然以上討論的是PVD腔室，本公開內容的實施方式可使用于任何熱負載可通過 足量氣體流經基座而抵消的基座類型基板支撐件。可選地，本公開內容的實施方式可使用 于半導體處理外部，例如太陽能電池制造，其中，處理期間在基板支撐件上的基板曝露于熱 下并且需要溫度控制。
[0042] 雖然上述內容為本公開內容的實施方式，但是可在不脫離本公開內容的基本范圍 的情況下，設計本公開內容的其它和進一步的實施方式，并且本公開內容的范圍由以下的 權利要求來確定。
【主權項】
1. 一種基座組件，所述基座組件包括： 靜電卡盤，所述靜電卡盤具有基板支撐表面； 底板，所述底板接合至所述靜電卡盤且具有形成于所述底板中的冷卻通道；以及 冷卻組件，所述冷卻組件經由入口通路和出口通路連接至所述冷卻通道，其中所述冷 卻組件包括： 入口，所述入口耦接至氣源； 出口，所述出口開口至處理腔室外部的最近環境，所述底板設置于所述處理腔室中； 流控制器，所述流控制器耦接在所述入口和所述入口通路之間；以及 熱交換器，所述熱交換器耦接至所述出口通路。2. 如權利要求1所述的基座組件，其中，所述氣源包括栗，以從所述最近環境抽取空氣。3. 如權利要求2所述的基座組件，其中，所述冷卻組件進一步包括冷卻液體源，所述冷 卻液體源耦接至所述熱交換器，且所述熱交換器實施液體和氣體熱交換。4. 如權利要求1所述的基座組件，進一步包括控制器，所述控制器耦接至所述流控制器 其中，所述控制器傳送控制信號至所述流控制器以調整冷卻氣體流的流動速率和壓力。5. -種用于處理半導體基板的設備，所述設備包括： 腔室主體，所述腔室主體界定處理體積； 基座組件，所述基座組件用于在處理期間支撐一個或多個基板，其中所述基座組件包 括： 靜電卡盤，所述靜電卡盤具有基板支撐表面并被設置于所述處理體積中；以及 底板，所述底板接合至所述靜電卡盤，其中所述底板具有形成于所述底板中的冷卻通 道；以及 冷卻組件，所述冷卻組件經由入口通路和出口通路連接至所述基座組件的所述冷卻通 道，其中所述冷卻組件設置于所述處理體積外部，并且所述冷卻組件包括： 入口，所述入口耦接至氣源； 出口，所述出口開口至所述腔室主體外部的最近環境； 流控制器，所述流控制器耦接在所述入口和所述入口通路之間；以及 熱交換器，所述熱交換器耦接至所述出口通路。6. 如權利要求5所述的設備，其中，所述冷卻組件鄰近所述腔室主體設置。7. 如權利要求6所述的設備，其中，所述氣源包括以下之一:栗，以從所述腔室主體外部 的所述最近環境抽取空氣、壓縮的氣源以及現有系統氣源。8. 如權利要求6所述的設備，其中，所述冷卻組件進一步包括冷卻液體源，所述冷卻液 體源耦接至所述熱交換器，且所述熱交換器實施液體和氣體熱交換。9. 如權利要求5所述的設備，進一步包括控制器，所述控制器耦接至所述冷卻組件其中 所述控制器傳送控制信號至所述冷卻組件以調整冷卻氣體流的流動速率和/或壓力。10. 如權利要求9所述的設備，進一步包括耦接至所述控制器的一個或多個溫度傳感 器，且所述控制器根據所述一個或多個溫度傳感器的測量來調整冷卻氣體流的所述流動速 率和/或所述壓力。11. 一種用于控制欲處理的基板的溫度的方法，所述方法包括以下步驟： 在處理腔室中于基板支撐件上處理基板； 供應冷卻氣體流，以冷卻形成于所述基板支撐件中的通道以控制所述基板的溫度； 流動所述冷卻氣體流穿過熱交換器離開所述冷卻通道；以及 釋放所述冷卻氣體流返回到圍繞所述處理腔室的環境。12. 如權利要求11所述的方法，其中，供應冷卻氣體流包括:從圍繞所述處理腔室的所 述環境抽取空氣流。13. 如權利要求12所述的方法，其中，處理所述基板包括:維持所述基板的溫度在約400 攝氏度與約450攝氏度之間。14. 如權利要求11所述的方法，其中，處理所述基板包括:在所述基板上形成物理氣相 沉積持續長于約1 〇〇〇秒的一段時間。15. 如權利要求11所述的方法，進一步包括:通過一個或多個溫度傳感器測量所述基板 溫度，并調整所述冷卻氣體流的所述流動速率和/或壓力。
【文檔編號】H01L21/203GK105993062SQ201580007946
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月13日
【發明人】布賴恩·韋斯特, 邁克爾·S·考克斯, 吳正勛
【申請人】應用材料公司